En aquest treball s'estudia l'adaptació de tres processadors óptics, per aplicar-los a tasques de caracterització, classificació i seudo-coloració de textures. Gràcies a la velocitat i paral.lelisme de les arquitectures proposades les diferents aplicacions han pogut ser implementades en temps real. El primer processador óptic adaptat es el difractómetre convergent, arquitectura basada en la del correlador de transformades conjuntes (JTC). El processador óptic construït permet obtenir ópticament l'espectre de potencia de las imatges de les diferents textures utilitzades. Per tal de poder canviar les imatges en forma dinámica en el procesador s'ha utilitzat una pantalla de cristall liquid, configurada per modular en amplitut. El front d'ona al atravessar l'escena representada en amplitud en el modulador, es perturbat. En el pla on es forma l'imatge de la font puntual, junt amb aquesta, apareix l'espectre de potència de l'escena. Una càmera CCD situada en aquest pla i una tarja digitalitzadora es l'encarregada de capturar l'imatge de l'espectre, imatge que es analitzada per l'ordinador. La principal modificació realiztada l'arquitectura, respecte a un difractómetre convencional, consiteix en situar un filtre pasa-alts davant de la cámara CCD amb la finalitat de bloquejar l'imatge de la font puntual juntament amb les frequencies mes baixes del espectre de potencia. D'aquesta manera s'aconsegueix evitar la saturació de la càmera, augmentant el contrast en la resta del espectre de potència. En aquest cas, les caracteristiques considerades per realiztzar la clasificació va ser directament la totalitat de l'imatge de la distribució de l'energía del espectre de potències captat per la CCD. La resta de processadors utilizats consisteixen en dos adaptacions de la arquitectura del correlador convergent. Aquest tipus de processadors permeten conservar la localització de l'informació en el domini espacial, fet que ens ha permes desenvolupar, a més de la classificació de textures, dues aplicacions més; la seudo-coloració i la segmentació. Per poder representar les imatges de les escenes i dels filtres en forma dinámica s'utilitzaren dos moduladors espaials de llum de cristall líquid nemàtic. A diferéncia del difràctómetre convergent, en les arquitectures del correlador convergent, les característiques de les diferents textures son calculades a partir de l'energía de les imatges filtrades. Per tal de poder obtenir el conjunt de caracteristiques d'una determinada imatge en temps real fou necessari modificar l'arquitectura del correlador de forma que fos posible proccesar més d'un canal de frequències en paralel. Producte de l'esmentada necessitat es van desenvolupar dos métodes que permenten convertir un procesador óptic monocanal en un processador multicanal.El primer mètode proposat consisteix en aprofitar el paral.lelisme inerent de la llum per multiplexar espacialment un conjunt de canals de frequència en un sol filtre de fase. Cada canal de frequència es codificat utilitzant com a support una determinada fase lineal. La llum, al atravessar el filtre, es desviada en diverses direccións, obtenint en el pla de correlació un conjunt d'imatges filtrades separades espaialment.El segon métode proposat consistex en multiplexar els canals utilitzant diverses longituds d'ona. El sistema óptic es iluminat utilitzant una font de llum blanca. Per tal de poder representar filtres en color es sitúa una diapositiva en color darrera del modulador del pla de Fourier. En aquest mateix modulador, configurat en mode amplitut, es representa un filtre amb tres canals de frequència. La llum al atravessar el filtre es modulada en amplitud per el modulador i en longitud d'ona per la diapositiva en color. Una càmera en color de 3 CCD, situada en el pla de correlació, es l'encarregada de demultiplexar les imatges filtrades en tres canals de color R, G i B. En les aplicacions de processat de textures desenvolupades fòren utilitzats tres bancs de filtres passa-banda; el primer basat en les funcions de Gabor, el segón format per sectors circulars i el darrer disenyat específicament per aplicacions de seudo-colorejat en frequències. En totes les aplicacions desenvolupades s'obitngueren excel.lents resultats, resultats que mostren l'eficàcia tant de les arquitectures óptiques com dels mètodes proposats a l'hora de processar imatges de textures en temps real. / In this work we purpose the adaptation of three optical processors for real time texture images processing. We develop three applications: texture identification, texture segmentation, and colour frequency encoding. The optical processors are powerful 2-D image processors systems. The information can be processed in parallel and more fast than digital processors. The modifications introduced in the optical processors allows us to develop the texture applications in real time. The results obtained in all of the applications were very satisfactory. These results show the powerful of the optical processors designed in that kind of tasks.The first optical processor adapted was a convergent diffractometer. The architecture of the processor was based in the joint transform correlator (JTC). A liquid crystal device working in amplitude mode was used to display the texture images. With the optical processor was possible to obtain the power spectrum of a given texture image displayed on LCTV at the speed of light. A CCD camera and a frame-grabber capture the power spectra of texture images that are analyzed by a computer to perform the classification. A high-pass filter is used to avoid the CCD saturation. The optical system allows us to develop a very fast texture classification process. 99% of the images were well classified in the process. The other optical processors designed are based on the convergent correlator architecture. With this kind of processors is possible preserve the local information of the processed signal. That allows developing more applications of texture image processing than classification. Particularly, we purpose a texture segmentation and texture frequency colour encoding applications. To do these applications in real time it was necessary modify the classical convergent correlator architecture to increase its processing speed. We suggest two different ways to do it. The first one is multiplexing several channels in the space of the optical processor. The other way is multiplexing three channels using different wavelengths. In both cases the modifications allowed us to obtain several channels in parallel at the same time. The method that we purpose to multiplexing spatially several channels use a phase only filter. First, we split the frequency domain in several channels (or zones). To codify one channel (or zone) onto the filter, we draw that zone with a determinate linear phase in it. Using different linear phases we can codify different channels into the phase filter. When the light pass through the filter, in frequency domain, is tilted in several directions, one direction for each codified channel. In correlation plane we obtain a composition of displaced images. Each of these images is the original image filtered by one of the frequency channels codified into the filter. With this method it was possible codify 8 frequency channels in a phase filter, increasing the processing speed in this factor.To multiplexing channels using different wavelengths, we added a color film transparency to LCTV filter display, and change the laser by white light. In this case, the LCTV filter display allows to modulate the amplitude of the light and the color film modulate the colour of the light. The correlation plane is captured with a 3-CCD color camera that decompose the signal in the color channels R, G and B. That allows increase the speed of the processor in a factor three. The results obtained in all of the developed applications were excellent, and they show the very good performance of all the optical systems that were purposed. / En este se ha trabajo se ha estudiado la adaptación de tres procesadores ópticos, ampliamente utilizados en el área para aplicarlos a tareas de caracterización, clasificación, segmentación y seudocoloración de texturas. Gracias a la velocidad de procesado de las arquitecturas propuestas dichas aplicaciones han podido implementarse para que operen en tiempo real. El primer procesador óptico adaptado fue un difractómetro convergente, arquitectura basada en la del correlador de transformadas conjuntas (JTC). El procesador óptico construido permitió obtener ópticamente el espectro de potencia de las imágenes de texturas utilizadas para los procesos de caracterización y clasificación. Con el fin de poder cambiar dinámicamente las imágenes en el procesador se utilizó un modulador de luz, configurado en amplitud, para su representación. Los espectros de potencias, captados mediante una cámara CCD, fueron digitalizados para realizar su análisis y procesado en el ordenador. Los otros dos procesadores utilizados fueron dos adaptaciones del correlador convergente. A diferencia del difractómetro convergente, este tipo de procesadores permiten conservar la localización en el domino espacial de la información procesada, lo que permitió desarrollar además de aplicaciones de caracterización y clasificación de texturas, aplicaciones de seudocoloración y segmentación. La utilización de moduladores espaciales de luz para representar tanto la escena como los filtros permitieron cambiar ambas imágenes de forma dinámica. Con el fin de poder realizar las aplicaciones de procesado de texturas propuestas en tiempo real fue necesario modificar la arquitectura del correlador para que permitiera procesar más de un canal de forma paralela. Producto de esa necesidad se desarrollaron dos métodos que permiten convertir un correlador óptico en multicanal. El primer método propuesto utiliza luz monocromática y se basa en aprovechar el paralelismo inherente de la luz para multiplexar espacialmente varios canales de frecuencia en un único filtro de fase. Cada canal de frecuencia es codificado utilizando una fase lineal distinta. La luz, al atravesar el filtro, es desviada en distintas direcciones, obteniendo en el plano de correlación los distintos canales demultiplexados espacialmente. El segundo método propuesto consiste en mutiplexar los canales utilizando tres longitudes de onda distintas. Para ello, el sistema óptico es iluminado con una fuente de luz blanca. La adaptación del filtro se realiza adosando una diapositiva en color al modulador del plano de Fourier. En el modulador del filtro, configurado en amplitud, se representan simultáneamente un conjunto de tres canales de frecuencia. La luz al atravesar el filtro es modulada en amplitud por el modulador y en longitud de onda por la diapositiva en color. Una cámara CCD en color situada en el plano de correlación es el dispositivo encargado de realizar la demultiplexión de los tres canales.En las aplicaciones de procesado de texturas desarrolladas fueron utilizados tres bancos de filtros distintos, un banco de filtros pasa-banda basado en funciones de Gabor, otro formado por sectores anulares y dos bancos diseñados específicamente para aplicaciones de seudocoloreado de frecuencias espaciales. Con todos ellos se obtuvieron excelentes resultados en las diversas aplicaciones desarrolladas.

The emission of light is at the heart of both fundamental science and technological applications. At its origin lie electronic transitions in nanoscale materials such as molecules, atoms and semiconductors. The interaction of light with such single quantum emitters is inefficient because of their point-like character. Efficient interfaces between light and nanoscale matter are therefore necessary. Inspired by the effective communication between small electronic circuits enabled by radio-frequency antenna technology, an emitter can be addressed efficiently with a nanoantenna, an optical element that converts localized energy into propagating radiation. The control of light emission with such optical antennas is the topic of this Thesis. By coupling an emitter to a metal antenna, the emission properties are determined by the antenna mode in direction, transition rates, polarization, and spectrum. In Chapter 1, we set out the basic concepts of optical antenna theory. To couple an emitter to an antenna, it must be within its near field. In Chapter 2, we introduce a nanofabrication method to place quantum dots on metal nanostructures with high spatial accuracy. The resulting emitter-antenna systems are imaged by confocal microscopy and their angular radiation patterns directly recorded. This combination of experimental methods allows us to study any optical antenna. A metal wire is the canonical antenna design and the basis to understand and construct other optical antennas. Through selective coupling of a quantum dot to the resonant modes of a nanowire, we demonstrate in Chapter 3 that the emission of a dipolar source can be converted controllably into higher multipolar radiation. We describe the antenna as a standing-wave resonator for plasmons and reproduce its emission with a multipolar expansion. An aperture in a metal film can be regarded as the complementary structure of a wire. In Chapter 4, we address the emission of light through a rectangular nanoaperture as an antenna problem. We demonstrate, explicitly, that resonant nanoslot antennas display a magnetic dipole response. Such antennas offer an efficient interface between emitters and surface plasmons. The excitation or detection of a dipolar emitter from the far field involves large solid angles. To address quantum emitters efficiently, a low divergence of their radiation patterns is needed. To this end, in Chapter 5 we develop and realize unidirectional optical antennas. We show how the emission of a quantum emitter is directed by multi-element Yagi-Uda and log-periodic optical antennas and demonstrate directional operation of a single-element design based on a splitring resonator. Light emission usually occurs through electric dipole transitions because multipolar emission rates are orders of magnitude slower. In some materials, however, multipolar optical transitions do occur. In Chapter 6, we assess through simulations the feasibility of enhancing magnetic dipole and electric quadrupole transitions with several realistic nanoantenna designs. The results in this Thesis demonstrate the potential of optical antennas as elements to control light on the nanoscale, based on radio and microwave antenna engineering. Within this powerful paradigm, the interaction of light with nanoscale matter can be tailored with complete flexibility. Such a degree of control over light emission and absorption may have a practical impact in spectroscopy, sensing, display technologies, lighting, photovoltaics, and general optical and optoelectronic devices. / La emisión de luz radica en el corazón tanto de la ciencia fundamental como de varias aplicaciones tecnológicas. En su origen están las transiciones electrónicas en nanomateriales como moléculas, átomos y semiconductores. La interacción de la luz con uno de estos emisores cuánticos es ineficiente debido a su carácter puntual. Es necesario, por tanto, desarrollar interfaces más eficientes entre la luz y la materia de tamaño nanoscópico. Inspirándonos en la comunicación entre pequeños circuitos electrónicos que permiten las antenas de radio, se puede interactuar más eficientemente con un emisor utilizando una nanoantena como elemento óptico que convierte la energía localizada en radiación propagante. Esta Tesis trata sobre el control de la emisión de luz con tales antenas ópticas. Acoplando un emisor a una antena metálica, las propiedades de la emisión pasan a estar determinadas por el modo de la antena en dirección, tasas de transición, polarización y espectro. En el Capítulo 1, establecemos las nociones básicas de la teoría de antenas ópticas. Para acoplar un emisor a una antena, éste debe encontrarse en su campo cercano. En el Capítulo 2, presentamos un método de nanofabricación para posicionar puntos cuánticos sobre nanoestructuras metálicas con alta resolución espacial. Para caracterizar los sistemas emisor-antena resultantes, adquirimos imágenes mediante microscopía confocal y medimos sus patrones angulares de radiación. Esta combinación de métodos experimentales nos permite el estudio de cualquier antena óptica. El diseño canónico de una antena es un cable metálico. Es la base para entender y construir otras antenas ópticas. Mediante acoplamiento selectivo de un punto cuántico a los modos resonantes de un nanocable, en el Capítulo 3 demostramos que la emisión de una fuente dipolar puede ser convertida en radiación multipolar controladamente. Describimos la antena como un resonador de onda estacionario para plasmones y reproducimos su emisión con una expansión multipolar Se puede considerar una apertura en una película metálica como la estructura complementaria de un cable. En el Capítulo 4, tratamos la emisión de luz a través de una apertura rectangular como un problema de antenas. Demostramos, explícitamente, que una nano-ranura resonante posee respuesta dipolar magnética. Estas antenas permiten una conversión eficiente entre emisores de fotones y plasmones superficiales. La excitación o detección de un emisor dipolar conlleva ángulos sólidos grandes. Para abordar un emisor cuántico individual eficientemente desde el campo lejano, se requieren patrones angulares con una baja divergencia. Con estre fin, en el Capítulo 5 desarrollamos e implementamos antenas ópticas unidireccionales. Demostramos cómo la emisión de un emisor cuántico puede ser dirigida por antenas multi-elemento de Yagi-Uda y logarítmicas periódicas y observamos direccionalidad en una antena compuesta por un único elemento con forma de diapasón. La emisión de luz ocurre normalmente a través de transiciones de dipolo eléctrico porque las tasas de emisión multipolares son, por lo general, mucho más lentas. Sin embargo, en algunos materiales se pueden observar transiciones multipolares. En el Capítulo 6, evaluamos la posibilidad de mejorar la emisión de transiciones dipolares magnéticas y cuadrupolares eléctricas mediante distintos diseños realistas de antenas ópticas. Los resultados de esta Tesis demuestran el potencial de las antenas ópticas como elementos para el control de la luz a escalas nanométricas, basadas en la ingeniería de antenas de radio y microondas. Dentro de este paradigma, se puede manipular la interacción de la luz con la materia con total flexibilidad. Tal grado de control sobre la emisión y la absorción de la luz podría tener un gran impacto práctico en espectroscopía, sensores, pantallas, iluminación, energía fotovoltaica y todo tipo de dispositivos ópticos y optoelectrónicos

In the quest for better and faster images of cellular and subcellular structures, biology-oriented optical microscopes have advanced significantly in the last few decades. Novel microscopy techniques such as non-linear microscopy (NLM), including two-photon excited fluorescence (TPEF) and second harmonic generation (SHG) microscopy, and light-sheet fluorescence microscopy (LSFM) are emerging as alternatives that overcome some the intrinsic limitations of standard microscopy systems. In this thesis I aimed to advance such techniques even more, and combine them with other photonic technologies to provide novel tools that would help to address complex biological questions. This thesis is organized in two main parts. The first part is dedicated to applications involving femtosecond lasers that are employed for precise microsurgery. For that, damage assessment methodologies based on NLM were developed and tested in relevant biomedical models. In the second part, wavefront engineering methods were employed to enhance the imaging capabilities of light-sheet microscopy systems. These novel methodologies were tested as well in relevant biological applications. This thesis is, therefore, organized as follows: In chapter 1, a brief and comprehensive review of the basic microscopy techniques employed in this thesis is presented, together with the challenges and achievements of this thesis in sequential order. In chapter 2, a multimodal imaging methodology for the assessment of laser induced collateral damage is presented. This was specifically developed for the control of the damage in femtosecond-laser dissection of single axons within a living Caenorhabditis elegans (C. elegans). Here, it is shown that collateral damages at the level of the myosin structure of the muscles adjacent to the axon, can be readily detected. In chapter 3, the optimized multimodal methodology developed in the chapter 2 was employed for minimally invasive dissection of axons of D-type motoneurons in C elegans. Here, a microfluidic chip for C elegans immobilization and a detailed protocol was employed to evaluate the axon regeneration of such neurons. The potential of such platform for testing drugs with regeneration-enhancing capabilities is also presented. In chapter 4, a novel use of TPEF microscopy is presented to characterize and fine tune the laser for photodisruption of excised human crystalline lens samples. In chapter 5, a thorough description of the implementation of a multimodal Digital Scanned Light-Sheet Microscope (DSLM) able to work in the linear and nonlinear regimes under either Gaussian or Bessel beam excitation schemes, is presented. The enhanced capabilities of the developed system is evaluated using in vivo C. elegans samples and multicellular tumor spheroids In chapter 6, the development of a completely new concept in light sheet-based imaging is presented. This is based on the extension of the depth-of-field of the lens in the emission path of the microscope by using wavefront coding (WFC) techniques. Furthermore, I demonstrate the application of the developed methodology for fast volumetric imaging of living biological specimens and 3D particle tracking.

En aquesta tesis doctoral es presenta un nou mètode per al càlcul de desalineaments en sistemes òptics a partir del front d'ona a la sortida del sistema. El mètode parteix de l'ajust de polinomis de Zernike al front d'ona del sistema òptic, i estableix una funció de transformació entre els coeficients de Zernike i les variables de desalineament. En aquesta memòria es presenta el desenvolupament matemàtic del mètode i s'estableixen tres funcions de transformació: per sistema d'equacions lineals, per sistema d'equacions no lineals i per xarxes neuronals artificials. El mètode s’ha validat per simulació mitjançant l'aplicació d'aquestes tres funcions de transformació a un sistema òptic format per tres lents en què una d'elles està desalineada. Es presenten i comparen els resultats obtinguts en aplicar cada funció, on es mostra que per desalineaments senzills les tres funcions donen bons resultats, però per desalineaments complexes s'ha necessitat aplicar el mètode amb les xares neuronals en dos passos, un per a les variables de gir i un altre per les variables de descentrament. S'ha generalitzat el mètode per més d'un element desalineat, mostrant resultats satisfactoris en el càlcul de desalineaments per dos elements del triplet mitjançant les xarxes neuronals. / En esta tesis doctoral se presenta un nuevo método para el cálculo de desalineamientos en sistemas ópticos a partir del frente de onda a la salida del mismo. El método parte del ajuste de polinomios de Zernike al frente de onda del sistema óptico, y establece una función de transformación entre los coeficientes de Zernike y las variables de desalineamiento. En esta memoria se presenta el desarrollo matemático del método y se establecen tres funciones de transformación: por sistema de ecuaciones lineales, por sistema de ecuaciones no lineales y por redes neuronales artificiales. El método se valida por simulación mediante la aplicación de estas tres funciones de transformación a un sistema óptico formado por tres lentes en el que una de ellas es desalineada. Se presentan y comparan los resultados obtenidos en aplicar cada función, donde se muestra que para desalineamientos sencillos las tres funciones dan buenos resultados, sin embargo para desalineamientos complejos se ha necesitado aplicar el método mediante las redes neuronales en dos pasos, uno para las variables de giro y otro para las variables de descentramiento. Se ha generalizado el método para más de un elemento desalineado, mostrando resultados satisfactorio en el cálculo de desalineamientos para dos elementos del triplete. / In this thesis a new method to determine element misalignments in optical systems is presented. The method starts with the adjustment of Zernike polynomials to the wavefront of the optical system, and sets a transformation function between the Zernike coefficients and the misalignment variables. Herein we present the mathematical development of the method and three transformation functions: a system of linear equations, a system of nonlinear equations and artificial neural networks. The method is validated by simulation by applying the three transformation functions to an optical system composed of three lenses in which one of them is misaligned. We present and compare the results of applying each function, showing that for simple misalignments the three functions work well, however, for complex misalignments, it has been required to apply the method with the artificial neural networks in two steps, one for decentering variables and one for tilt variables. The method has been generalized for more than one element, showing satisfactory results in the calculation of misalignment for two elements of the triplet system.

La polarimetria proporciona informació crucial en nombroses aplicacions en diferents camps, com en la medicina, la biologia, la teledetecció, la caracterització de materials, l’astronomia, etc. Els polarímetres són els instruments bàsics per a la metrologia de polarització. Nombroses arquitectures de polarímetres han estat analitzades en la literatura, cada una d’elles presenta les seves desavantatges i avantatges. En general, els paràmetres del muntatge del polarímetre són optimitzats per tal de reduir l’amplificació del soroll present en les mesures radiomètriques fins a la mesura final de polarització. D'altra banda, els errors experimentals, com una desalineació o un calibratge erroni, ocasionen una reducció de la precisió del polarímetre en la mesura del contingut polarimètric. Recentment, els dispositius de cristall líquid s'han introduït en les arquitectures de polarímetres, aprofitant les seves atractives característiques de canviar les seves propietats òptiques de manera dinàmica i ràpida. Degut a que les arquitectures basades en cristalls líquids no tenen parts mòbils, s'eviten errors experimentals relacionats amb moviments mecànics, i aquells errors deguts a desalineaments poden ser significativament reduïts després d'un calibratge del sistema complet. Aquesta tesi s'emmarca en el camp de la polarimetria, centrant-se en el disseny òptic, optimització, anàlisi i comparativa de polarímetres basats en materials que presenten anisotropia d’índex de refracció. En concret, es revisen algunes arquitectures de polarímetres conegudes basades en cristalls líquids existents en la literatura, s’introdueixen algunes variants als dissenys d’aquests polarímetres per tal de millorar alguns aspectes del seu funcionament, com ara la minimització de soroll, i es presenten nous dissenys de polarímetres basats en cristalls líquids. Concretament, s'utilitzen tres tipus diferents de làmines de cristall líquid: amb estructura paral·lela, amb estructura helicoïdal i ferroelèctriques. A més, es presenta un nou polarímetre estàtic capaç de mesurar qualsevol estat de polarització. Aquesta última arquitectura es basa en el fenomen de la refracció cònica que es produeix quan la llum es propaga al llarg d'un dels eixos òptics d'un cristall biàxic. Per a cada prototip de polarímetre es duu a terme una anàlisi completa del seu disseny, que inclou una optimització de soroll, estudi de robustesa, anàlisi de tolerància, així com també es detalla la implementació del polarímetre, incloent el seu calibratge i mesures experimentals. Es realitza una comparativa entre els diferents prototips implementats, donant una revisió molt valuosa de les principals característiques dels polarímetres basats en cristalls líquids, així com el polarímetre basat en la refracció cònica. A partir d'aquesta comparativa, es selecciona el millor candidat per a la polarimetria d'imatge. Finalment, en aquesta tesi es proposa un nou muntatge experimental que combina un polarímetre d'imatge i un mòdul utilitzat per a aconseguir imatges amb una resolució sub-píxel en un sistema en què la resolució està limitada per la grandària del píxel del detector. Es proporcionen resultats experimentals crucials, validant la millora de la resolució espaial aconseguida en les imatges de polarització. / Polarimetry provides crucial information in many applications in diverse fields, including medicine, biology, remote sensing, material characterization, astronomy, etc. Polarimeters are the basic instruments for polarization metrology. Several polarimeters architectures have been analyzed in the literature, each one presenting its own drawbacks and strengths. In general, the parameters of the polarimeter set-up are optimized in order to reduce the amplification of noise present at the radiometric measurements to the final polarization measurement. Moreover, experimental errors, as misalignment or miscalibration, lead to a polarimeter accuracy reduction to the measure of such polarization content. Recently, liquid crystal (LC) devices have been introduced in polarimeters architectures, taking advantage of their appealing features of changing their optical properties dynamically and at high rates. Because architectures based on LC have no moving parts, experimental errors related to mechanical movements are avoided, and those due to misalignments may be significantly reduced after a calibration of the whole system. This thesis is framed in the field of polarimetry, focusing on the optical design, optimization, analysis and comparative of polarimeters based on materials presenting index anisotropy. In particular, it reviews some existing LC based polarimeter architectures popular in the literature, introduces some variants to those polarimeter layouts in order to improve some aspects in their performance such as noise minimization, and presents new designs of LC based polarimeters. In particular, we use three different types of LC cells: parallel aligned nematic, twisted nematic and ferroelectric. Moreover, it presents a new static polarimeter able to measure any state of polarization. This last architecture is based on the conical refraction (CR) phenomenon occurring when light propagates along one of the optical axes of a biaxial crystal. For each polarimeter prototype we conduct a comprehensive analysis of its design, including a noise optimization, robustness study, tolerance analysis, as well as we detail the implementation of the polarimeter, including its experimental calibration and measurements. A comparative between the different implemented prototypes is conducted, giving a very valuable review of the main features of LC based polarimeters as well as the CR based polarimeter. From this comparative, the best candidate for imaging polarimetry is selected. Finally, in this thesis it is proposed a new experimental configuration which combines an imaging polarimeter and a module used to achieve sub-pixel-resolution imaging in a system where the resolution is limited by detector pixel size. Crucial experimental results are provided, validating the resolution enhancement achieved in polarization images.

La mesura de superfícies òptiques ha esdevingut un camp d'investigació molt important en els últims anys. En els sincrotrons es necessiten òptiques que tinguin una precisió en l'ordre del nanòmetre per tal d'assolir la brillantor necessària en les investigacions. Normalment es fan servir dos mètodes per tal de mesurar aquests miralls: interferometria i de ectometria. Els desavantatges de la interferometria és que la precisió ve determinada per la precisió de la superfície de referència. El desavantatge de la de ectometria és que les mesures són unidimensionals. En aquesta tesi es presenta un nou mètode, el lateral shearing seqüencial bidimensional, que agrupa les avantatges dels dos mètodes: no es necessita superfície de referència i les mesures són bidimensionals i ràpides. En aquesta tesi es presenta el nou mètode tan a nivell teòric així com en un escenari realista. Inicialment es fa un desenvolupament teòric, per després anar afegint diferents fonts d'error, com el soroll a les mesures, l'error de posicionament i els errors de guiatge pitch i roll. Es fa un anàlisi de la infl uència d'aquestes fonts d'error i es determina que és necessari un mètode per a l'estimació de pitch i roll. Per això en aquesta tesi es presenta un nou mètode per a l'estimació de pitch i roll basat en la sobre informació que es té de la mesura. Amb aquest mètode es redueixen significativament els errors, però es necessita també afegir informació dels termes quadràtics de la superfície mesurada per tal d'arribar a la precisió demandada. Per aquest motiu es desenvolupa un nou mètode per a lestimació dels termes quadràtics de la superfície a mesurar a partir del 3- at test. Amb l'estimació del 3- at test, l'estimació de pitch i roll i l'aplicació del lateral shearing seqüencial bidimensional, s'arriba a una precisió en l'ordre del nanòmetre en la reconstrucció de la superfície a mesurar. / Measuring optic surfaces is a research field very important, specially in the last 20 years. Synchrotrons need optics with an accuracy of the nonemeter for achieving the brilliance needed in the beamlines. Usually there are two methods for measuring optic surfaces: interferometry and de ectometry. The disadvantage of interferometry is that needs of a reference surface and, then, accuracy in interferometry is limited by the accuracy of the reference surface using in the measurements. The disadvantage of de ectometry is that measurements are unidimensional measurements. In this thesis a new method for measuring optic surfaces, bidimensional sequential lateral shearing, is presented. This method has the advantage that is not needed a reference surface and measurements are fast and bidimensional. A theoretical analysis and a a realistic scenario approach is done. For this reason firstly a theoretical development of the method is done, and secondly, different error sources have been introduced: noise in measurements, positioning errors and pitch and roll errors are added in the displace of the linear stage needed for the method. A new algorithm for the estimation of pitch and roll and a new method for the estimation of the quadratic terms of the surface under test have been presented. With the estimation of quadratic terms of the surface under test and the estimation of pitch and roll, the accuracy measuring optic surfaces with the bidimensional sequential lateral shearing method presented in this thesis achieves the nanometer range.

To measure quantum features in a classical world constrains us to extend the classical technology to the limit, inventing and discovering new schemes to use the classical devices, while reducing and filtering the sources of noise. Balanced detectors, e.g. when measuring a low- noise laser, have become an exceptional tool to attain the shot-noise level, i.e., the standard quantum limit for measuring light. To detect light pulses at this level requires to decreasing and also to filtering all other sources of noise, namely electronic and technical noise. The aim of this work is to provide a new tool for filtering technical and electronic noises present in the pulses of light. It is especially relevant for signal processing methods in quantum optics experiments, as a means to achieve shot-noise level and reduce strong technical noise by means of a pattern function. We thus present the theoretical model for the pattern-function filtering, starting with a theoretical model of a balanced detector. Next, we indicate how to recover the signal from the output of the balanced detector and a noise model is proposed for the sources of noise and the conditions that should satisfy the filtering algorithm. Finally, the problem is solved and the pattern function is obtained, the one which solves the problem of filtering technical and electronic noises. Once the pattern function is obtained, we design an experimental setup to test and demonstrate this model-based technique. To accomplish this, we produce pulses of light using acousto-optics modulators, such light pulses are precisely characterized together with the detection system. The data are then analyzed using an oscilloscope which gathers all data in the time domain. The frequency-domain representation is calculated using mathematical functions. In this way, it is proved that our detector is shot-noise limited for continuous-wave light. Next, it is shown how the technical noise is produced in a controlled manner, and how to gather the necessary information for calculating the pattern function. Finally, the shot-noise-limited detection with pulses without technical noise introduced is shown first, and next, an experimental demonstration where 10 dB of technical noise is then filtered using the pattern function. The final part of this research is focused on the optimal signal recovery for pulsed polarimetry. We recall the Stokes parameters and how to estimate the polarization state from a signal. Next, we introduce a widely used signal processing technique, the Wiener filter. For the final step, we show how to retrieve, under the best conditions, the polarization-rotation angle with a signal that has 10 dB of technical noise. Obtaining that our technique outperforms the Wiener estimator and at the same time obtaining the standard quantum limit for phase/angle estimation. Because of the correlation between pulsed polarimetry and magnetic estimation using magnetic-atomic ensembles via Faraday effect, this pattern-function filtering technique can be readily used for probing magnetic-atomic ensembles in environments with strong technical noise. / Medir las características cuánticas en un mundo clásico no solo requiere llevar al límite la tecnología clásica, sino también, inventar y descubrir nuevos esquemas para utilizar los dispositivos clásicos, reduciendo y filtrando las fuentes de ruido. Los detectores balanceados, cuando miden un láser de bajo ruido, se han convertido en una herramienta excepcional para alcanzar el nivel del ruido de disparo, que es el límite estándar clásico para medir la luz. Detectar pulsos de luz al nivel de ruido de disparo requiere reducir y filtrar todas las otras fuentes de ruido, es decir, el ruido electrónico y el técnico. El objetivo de este trabajo es crear una nueva herramienta para filtrar ruido tanto técnico como electrónico de pulsos de luz, que es especialmente relevante para los métodos de procesamiento de señales en los experimentos de óptica cuántica, como una manera de alcanzar el nivel de ruido de disparo y reducir fuertemente el ruido técnico por medio una función patrón. Presentamos, por lo tanto, el modelo teórico para el filtrado por una función patrón. Primeramente damos el modelo teórico de un detector balanceado, luego exponemos cómo se recupera la señal de la salida del detector balanceado. A continuación proponemos un modelo para las fuentes de ruido y las condiciones que debe satisfacer el algoritmo de filtrado. Finalmente, se resuelve el problema y se obtiene la función patrón que nos permite filtrar los ruidos técnico y electrónico. Una vez que la función patrón se puede calcular, diseñamos un montaje experimental para probar y demostrar esta técnica basada en un modelo. Para tal propósito, producimos pulsos de luz usando moduladores acusto-ópticos que producen pulsos de luz que están precisamente caracterizados, junto con el sistema de detección. Los datos se analizan a continuación con un osciloscopio, reuniendo todos los datos en el dominio del tiempo. La representación del dominio de la frecuencia se calcula utilizando funciones matemáticas. De esta manera, se prueba que nuestro detector está limitado por el ruido de disparo para luz continua. Después, se muestra cómo se produce el ruido técnico de manera controlada, y cómo se reúne la información necesaria para calcular la función patrón. Finalmente, se muestra la detección limitada por el ruido de disparo para pulsos sin ruido técnico introducido primero, y luego, se hace una demostración experimental con 10 dB de ruido técnico, que se filtra a continuación usando la función patrón. La parte final de esta investigación está enfocada a la recuperación óptima de la señal para polarimetría pulsada. Recordamos los parámetros de Stokes y cómo estimar el estado de polarización de una señal. Luego, introducimos el filtro de Wiener, que es una técnica ampliamente usada en el procesamiento de señales. Para el paso final, mostramos cómo se recupera, bajo las mejores condiciones, el ángulo de rotación de polarización con una señal que tiene 10 dB de ruido técnico. Obteniendo el límite estándar cuántico para la estimación fase/ángulo y superando así el estimador de Wiener. Debido a la correlación entre polarimetría pulsada y la estimación magnética usando conjuntos atómicos magnéticos vía el efecto de Faraday, esta técnica de filtraje de función patrón puede ser fácilmente usada para sondear conjuntos atómico-magnéticos en ambientes con fuerte ruido técnico.

In this thesis, we report experimental evidence of a "gray" condensate of excitons, as predicted theoretically by M. Combescot et al. Most importantly, the condensate is characterized by the macroscopic population of dark excitons coherently coupled to a weak population of bright excitons through fermion exchanges. Such quantum condensation results from the excitons internal structure, with a dark i.e. optically inactive ground state. It is actually very similar to what occurs in the phases of superfluid 3He or in the more recent spinor condensates of ultracold atomic Bose gases. While it is our belief that such a "gray" condensate will eventually be observed in other excitonic systems, our study focus on its appearance together with the macroscopic auto-organization of dipolar excitons. Precisely we emphasize fragmented exciton rings in an electrically biased GaAs single quantum well. This very striking pattern was first observed independently by the groups of L. Butov and D. Snoke. It was interpreted as the result of an ambipolar diffusion of carriers in the quantum wells. The fragmentation of the macrosopic ring observed at low temperature by Butov and coworkers, and the subsequent evidence for long-range spatial coherence together with complex pattern of polarization, led Butov et al. to interpret the fragmentation as an evidence for the transition to a quantum regime where coherent exciton transport dominates. Our experiments led us to a very different interpretation. Indeed, we show that for our sample the formation of the fragmented ring is dominated by the diffusion of dipolar excitons in an optically induced electrostatic landscape. This potential landscape arises from the modulation of the internal electric field by excess charges injected in the QW by the same excitation beam which induces the ring. Dipolar excitons then explore a potential landscape characterized by a wide anti-trap inside the ring and more strikingly by microscopic traps distributed along the circumference of the ring. There, i.e. in the outside vicinity of the ring, a confining potential is responsible for the formation of "islands" where the population of dark excitons is dominant. Due to the low energy splitting between the bright and dark excitonic states in our sample, the observation of a dominant population of dark excitons signals that excitons condense in the low-lying dark states. To confirm this interpretation we show that the weak photoluminescence emitted in the outer vicinity exhibits macroscopic spatial coherence, up to 10 times larger than the de Broglie wavelength. Islands of extended coherence are in fact identified and quickly disappear upon increase of the bath temperature. This leads to an evolution of the coherence length strongly dependent on the temperature. Finally, we show that the photoluminescence emitted in the vicinity of the fragmented ring is dominantly linearly polarized and also organized in islands outside the ring. All these observations confirm the predicted signatures of a "gray" condensate, as formulated by M. and R. Combescot. / En aquesta tesis, mostrem evidència experimental d'un condensat "gris" d'excitons, tal com prediu la teoria de M. Combescot et al. En particular, el condensat està caracteritzat per la població macroscòpica d'excitons foscos acoblats coherentment a una població baixa d'excitons brillants a través d'intercanvis fermiònics. Aquesta condensació quàntica es dóna com a resultat de l'estructura interna dels excitons, amb un estat fonamental fosc i.e. òpticament inactiu. És de fet molt similar al que passa en les fases de 3He superfluid o en els més recents condensats d'espinors de gasos atòmics ultrafreds de Bose. Encara que nosaltres creiem que un condensat "gris" serà eventualment observat en altres sistemes excitònics, el nostre estudi es focalitza en la seva manifestació juntament amb l'auto-organització macroscòpica d'excitons dipolars. Precisament, ens centrem en els anells excitònics fragmentats en un sol pou quàntic elèctricament polaritzat. Aquest sorprenent patró va ser observat independentment per primer cop pels grups de L. Butanov i D. Snoke. Va ser interpretat com el resultat d'una difusió ambipolar de portadors en pous quàntics. La fragmentació de l'anell macroscòpic observada a baixes temperatures per Butov i els seus col.laboradors, i la posterior evidència de coherència espacial de llarg abast juntament amb un patró de polarització complex, va portar a Butov et al. a interpretar la fragmentació com una evidència de la transició cap al règim quàntic en el que domina el transport coherent d'excitons. El nostre experiment ens va portar cap una interpretació molt diferent. En efecte, mostrem que per la nostra mostra la formació d'anells fragmentats és dominada per la difusió d'excitacions dipolars en un perfil electrostàtic òpticament induït. Aquest perfil de potencial sorgeix de la modulació del camp elèctric intern per un excés de càrregues injectades en el PQ pel mateix feix d'excitació que indueix l'anell. Les excitacions dipolars exploren per tant un perfil de potencial caracteritzat per una anti-trampa ampla dins de l'anell i més sorprenentment per trampes microscòpiques distribuïdes al llarg de la circumferència de l'anell. Allà, i.e. en la proximitat exterior de l'anell, un potencial de confinament és el responsable de la formació d'"illes" on la població d'excitons foscos és dominant. Degut a la baixa separació energètica entre els estats excitònics brillant i fosc en la nostra mostra, l'observació d'una població dominant d'excitons foscos senyala que els excitons es condensen en els estats foscos de més baixa energia. Per tal de confirmar aquesta interpretació, mostrem que la dèbil fotoluminescència emesa en la proximitat exterior exhibeix coherència espacial macroscòpica, fins a 10 vegades major que la longitud d'ona de de Broglie. Illes de coherència ampliada són de fet identificades i desapareixen ràpidament en incrementar la temperatura del focus. Això porta cap a una evolució de la longitud de coherència que depèn fortament de la temperatura. Finalment, mostrem que la fotoluminescència emesa en la proximitat de l'anell fragmentat està dominantment polaritzada linealment i organitzada també en illes fora de l'anell. Totes les observacions confirmen les senyals característiques previstes per un condensat "gris", tal com està formulat en la teoria desenvolupada per M. i R. Combescot

Disordered media with refractive index variations can be found in the atmosphere, the ocean, and in many materials or biological tissues. Several technologies that make use of such random media, as image formation, satellite communication, astronomy or microscopy, must deal with an unavoidable light scattering or diffusion. This is why for many years light propagation through random media has been a subject of intensive study. Interesting phenomena such as speckle, coherent backscattering or random lasing have been discovered and studied. More recently, researchers are beginning to investigate mechanisms to control light propagation through such media to enhance light transmission and sharpen the focus. On the other hand, it has been known for several years that nonlinear random structures are able to generate light in an ultra-broad frequency range, without the need of angle or temperature tuning. Particularly interesting is the nonlinear light diffusion observed from materials with no change in the refractive index and which appear to be fully diffusion less to linear light propagation. However, a comprehensive understanding of the scattering when a nonlinear interaction takes place has not yet been given. The core of the thesis focuses on the study of the nonlinear light generation and propagation from crystalline structures with disordered nonlinear domains but with a homogenous refractive index. A random distribution of non-linear domains is found naturally in the Strontium Barium Niobate (SBN) ferroelectric crystal. As opposed to other mono-domain nonlinear optical crystals commonly used for frequency up-conversion, such as Potassium Titanyl Phosphate (KTP) or Lithium Niobate (LiNbO3), in SBN the nonlinear domain size is, typically, on the order of the coherence length or many times smaller than the size of the whole crystal. Such domains are usually several times longer in the c-axis direction relative to the plane perpendicular to that axis. Adjacent domains exhibit antiparallel polarization along such crystalline axis, with no change in refractive index. In Chapter 1 we give a brief introduction to light generation and propagation in random media, describing the speckle, light manipulation and second harmonic generation (SHG). In chapter 2, we study the nonlinear light generation and manipulation from a transparent SBN crystal. In its theoretical description we use a two-dimensional random structure consisting of a homogeneous background polarized in one direction with uniform rectangular boundaries, and a group of square reverse polarization domains with random sizes and located in random positions. The SHG from each domain is obtained using the Green's function formalism. In the experiments, we alter the ferroelectric domain structure of the SBN crystal by electric field poling or thermal treatments at different temperatures. The SBN crystal structures after such different treatments are shown to be characterized by their SHG patterns. In chapter 3, by measuring the spatial distribution of the second harmonic light in the c-plane, we demonstrate that the randomness in the nonlinear susceptibility results in a speckle pattern. We explain the observations as a result of the linear interference among the second harmonic waves generated in all directions by each of the nonlinear domains. In chapter 4, we report on our experimental implementation of the wave-front phase modulation method to control and focus the SHG speckle from the random SBN crystal. This research creates a bridge between light phase modulation and nonlinear optics. Finally we perform a theoretical analysis to demonstrate enhanced efficiencies for nonlinear light focusing by the wave-front phase modulation method in different directions. Various types of nonlinear structures are considered, including the homogeneous rectangular crystal, the group of random domains, and the combination of both.

Optical quantum memories are important devices in quantum information science. In particular, they are building blocks of quantum repeater architectures that have been proposed to increase the range of quantum communication beyond the limits set by losses in optical fibers. In this thesis, we report experiments with a quantum memory based on cold atoms. We focus on two important aspects relevant for using the memories as quantum repeater nodes: the connectivity to the optical fiber network, and the ability to operate in a time-multiplexed fashion. The core of the work presented in this thesis was the implementation of a quantum memory based on spontaneous Raman scattering, following the protocol of Duan, Lukin, Cirac and Zoller (DLCZ). The memory is implemented with a cold ensemble of 87Rb atoms loaded in a magneto optical trap. Single collective atomic spin excitations (spin-waves) are created in a heralded manner, before being retrieved by conversion into strongly non-classically correlated single photons. Our system showed measured second-order cross-correlation function values up to 200, an inferred intrinsic retrieval efficiency inside the science chamber up to 44%, and a memory lifetime up to 55 µs. Current realizations of DLCZ quantum memories present several limitations, reducing the maximum practical distance achievable for quantum repeaters based on these systems. We partially addressed two of them. The first one originates from high absorption in optical fibers at the operating wavelength of 780 nm. The second one is that current demonstrations only allow the creation of spin-waves in single temporal modes, limiting the entanglement generation rates in quantum repeaters protocols. A good solution to alleviate the first limitation is to translate the wavelength of the single photons to the telecom C-band, where absorption is minimal, while preserving their quantum characteristics. For this, we demonstrated an ultra-low-noise solid state photonic quantum interface based on an integrated-waveguide in a non-linear PPLN crystal. We converted heralded single photons emitted by the DLCZ quantum memory at 780 nm to the telecommunication wavelength of 1552 nm. We achieved a maximum signal-to-noise ratio of 80 for a mean input photon number of 1, allowing us to show significant non-classical correlations between the heralding and converted photons via the violation of the Cauchy-Schwarz inequality. To address the second limitation, we demonstrated the first experimental steps towards the realization of a temporally multiplexed DLCZ-type quantum repeater node. We showed active control of the spin-waves created in our quantum memory by means of an external magnetic field gradient inducing an inhomogeneous broadening of the atomic hyperfine levels. Acting on this gradient allows active dephasing and rephasing of individual spin-waves, enabling spin-wave creation in multiple temporal modes and read out a specific time-bin only. We showed that the active rephasing technique preserves the non-classical statistics of the heralded photons via the observation of anti-bunching. We then created spin-waves in two temporal modes and demonstrated selective read-out of only one of them with a selectivity up to 92%. All these results pave the way towards the realization of future temporally multiplexed quantum repeater nodes based on the DLCZ protocol. / Les memòries quàntiques òptiques son dispositius importants en el camp científic de la informació quàntica. En particular, són peces fonamentals de les estructures de repetidors quàntics, les quals han estat proposades per tal d’incrementar la distància en la comunicació quàntica més enllà dels límits imposats per les pèrdues en fibres òptiques. En aquesta tesi mostrem experiments duts a terme amb una memòria quàntica basada en àtoms freds. Ens hem centrat en dos aspectes importants que són rellevants a l’hora d’usar les memòries com a nodes de repetidors quàntics: la connectivitat cap a la xarxa de fibres òptiques i l’habilitat d’operar amb multiplexació temporal. La part central del treball presentat en aquesta tesi és la implementació d’una memòria quàntica basada en la dispersió Raman espontània, seguint el protocol de Duan, Lukin, Cirac i Zoller (DLCZ). La memòria és implementada en un conjunt d’àtoms de 87Rb en una trampa òptico-magnètica. Excitacions individuals col·lectives d’espins atòmics (ones d’espín) són creades de manera anunciada, abans de ser recuperades en una conversió cap a fotons individuals amb fortes correlacions no-clàssiques. En el nostre sistema vam mostrar mesures de la funció de correlació creuada de segon ordre amb valors de fins a 200, una eficiència de recuperació intrínseca dins la cambra experimental de fins a un 44% i un temps de vida de la memòria de 55 µs. Les realitzacions actuals de memòries quàntiques DLCZ presenten varies limitacions, les quals redueixen la distància màxima que els repetidors quàntics basats en aquests sistemes poden assolir. Nosaltres n’hem adreçat parcialment dues d’elles. La primera és originada per l’alta absorció en fibres òptiques de la longitud d’ona de 780 nm. La segona té a veure amb el fet que altres experiments actuals només permeten la creació d’ones d’espín en un únic mode temporal, limitant el ritme de la generació d’entrellaçament en protocols de repetidors quàntics. Una bona solució per mitigar la primera limitació és traslladar la longitud d’ona dels fotons individuals, cap a la banda C de telecomunicacions en la que l’absorció és mínima, preservant les seves característiques quàntiques. Per això, vam demostrar l’operació d’una interfície fotònica quàntica d’estat sòlid amb un soroll ultra-baix basada en una guia d’ones integrada en un cristall PPLN. Vam convertir fotons individuals anunciats emesos per la memòria quàntica DLCZ a 780 nm cap a la longitud d¿ona de telecomunicacions de 1552 nm. Vam aconseguir una relació senyal-soroll màxima de 80 per a un nombre mitjà incident de fotons de 1, permetent-nos mostrar correlacions no-clàssiques significatives entre el fotó anunciat i el convertit, mitjançant la violació de la desigualtat de Cauchy-Schwarz. Per tal d’adreçar la segona limitació, vam demostrar els primers passos experimentals cap a la realització d’un node de repetidor quàntic de tipus DLCZ amb multiplexació temporal. Vam mostrar el control actiu d’ones d’espín creades a la nostra memòria quàntica, utilitzant un gradient de camp magnètic extern que indueix un eixamplament inhomogeni dels nivells atòmics hiperfins. Actuar en aquest gradient permet el desfasament i refasament actiu d’ones d’espín individuals, permetent crear ones d’espín en múltiples modes temporals i llegir només un mode temporal específic. Vam mostrar que la tècnica de refasament actiu preserva les estadístiques no-clàssiques dels fotons anunciats a través de l’observació d’anti-agrupament. Seguidament vam crear ones d'espín en dos modes temporals i vam demostrar la lectura selectiva de només un mode amb una selectivitat de fins a un 92%. Tots aquest resultats obren la porta a la realització de futurs nodes de repetidors quàntics amb multiplexació temporal basats en el protocol DLCZ.